Mikrobiellen Aktivitäten auf der Spur

Die verschiedenen Ökotypen der Ackerschmalwand weisen auch unterschiedliche Bakterien- und Pilzbesiedlungen auf. Die genetischen Aktivitäten dieser mikrobiellen Besiedelung, das Mikrobiom, konnten jetzt erstmals genauer untersucht werden.

Die Pflanzen-Pathogen-Interaktion, also das Zusammenspiel von Pflanzen und ihren Feinden, ist ein wichtiger Forschungszweig in der Pflanzenforschung. Besonders die Erforschung der Faktoren, die zur Entstehung von Pflanzenkrankheiten beitragen oder helfen, sie abzuwehren, ist dabei von entscheidender Bedeutung. Ein besseres Verständnis der Mechanismen kann Ernteverluste eingrenzen und die Bewahrung der Artenvielfalt unterstützen. In einer neuen Studie haben Wissenschaftler jetzt erstmals Methoden, die aus der Humanmedizin bekannt sind, auch bei Pflanzen angewendet, um die bakterielle und pilzliche Besiedelung von Blättern der Modellpflanze Arabidopsis thaliana und ihre genetischen Aktivitäten zu untersuchen.

Verschiedene „Mikro-Gemeinschaften“

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Um die Mikroorganismen auf den Blättern der Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana) zu bestimmen, untersuchten die Forscher die Blätter von 196 Ökotypen der Pflanze, die sie in einem Feldexperiment anbauten. Die Pflanzen wurden unter standardisierten Bedingungen im Treibhaus gezogen. Die dafür verwendete Erde wurde vorher sterilisiert, um die Anzahl bereits vorhandener Mikroorganismen zu senken. Anschließend wurden die Pflanzen in ein Feld gesetzt. Bei der Probennahme wurden die Blätter sofort eingefroren, um einen möglichst unverfälschten Blick auf die Besiedelung mit den Mikroben zu erhalten.

Der Großteil der bakteriellen Mikroorganismen, die die Forscher entdeckten, gehörten zu den Abteilungen der Proteobacteria, Bacteroidetes und Actinobacteria. Die häufigsten Pilzarten stammten aus der Gattung Tetracladium. Auch Pilzgattungen, die bekanntermaßen Pathogene enthalten, wurden entdeckt, wie Fusarium- und Epicoccum-Arten. Des Weiteren zeigte sich, dass bei den verschiedenen Ökotypen der Pflanzen auch jeweils typische Gemeinschaften an Mikroorganismen zu finden waren. Das legt den Schluss nahe, dass die verschiedenen Genotypen einer Pflanze die Zusammensetzung der
Mikroflora beeinflussen.

Angriffspunkt Zellwand

Mittels „Genomweiter Assoziationsstudien“ (Genom-wide association studies, GWAS) wurden anschließend die 100 am häufigsten vorkommenden Taxa jeder Abteilung von Mikroorganismen auf auffällige Veränderungen in der genetischen Aktivität der Wirtspflanzen untersucht. Es zeigte sich, dass die Veränderungen der Genaktivität im Zusammenhang mit unterschiedlichen Prozessen in der Pflanze standen. Pathogene lösen multifaktorielle Reaktionen aus. Diese haben Einfluss auf die Pathogenität aber auch auf die Verteidigungsmechanismen. Einige konnten erwartet werden, andere eher nicht. Die wichtigsten biologischen Prozesse der Pflanze, die identifiziert werden konnten, waren die Abwehr von Pathogenen sowie solche, die für eine intakte Zellwand zuständig waren.

Damit wurde bestätigt, was die Forscher vorher schon vermutet hatten. Pathogene, die eine Pflanze „angreifen“, müssen zunächst die Zellwand als erste Barriere überwinden. Folglich sind genetische Aktivitäten, die zum Beispiel den Abbau von Zellwand-eigenen Pektinen initiieren, in vermehrtem Maß zu beobachten. Dieses konnte nun zum ersten Mal über die untersuchen Genaktivitäten nachgewiesen werden. Eher unvermutet sind Reaktionen, die mit der Reproduktion einer anderen Gruppe von Pathogenen assoziiert werden, den Viren. Vermutet wird, dass Viren und Bakterien gleiche Reaktionsmuster in den Wirtspflanzen ansprechen bzw. Viren und Bakterien beim Befall miteinander interagieren. Ein Phänomen, was Humanmedizinern bereits bekannt ist.

Gezielter Schutz möglich

Diese Methode eröffnet neue Möglichkeiten im Pflanzenschutz: Zum Beispiel können mittels dieser Methode die entsprechenden pathogenen Mikroorganismen identifiziert und deren Aktivitäten nachgewiesen werden. So ist es möglich, die Art und Weise wie der Pathogen vorgeht, zu entdecken und „maßgeschneiderte“ Pflanzenschutzmittel zu entwickeln, die gezielt diese Aktivitäten unterbinden. Leider sind die Ergebnisse dieser Studie noch sehr allgemein gehalten. Konkretere Ergebnisse zur Interaktion zwischen der Pflanze und der sie besiedelnden Mikroflora sowie zu Anwendungsmöglichkeiten werden wohl erst durch weitere Veröffentlichungen geklärt werden.